某大型房建基坑工程對鄰近高鐵路基影響研究

李一峰

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

隨著高速鐵路覆蓋越來越多的城市，為了便于城市居民的乘坐，部分高鐵車站深入市區，不可避免地與市政工程、民建工程等產生互相影響[1]。城市建設會產生大量基坑工程[2]，基坑工程的卸荷效應使得基坑周邊土體平衡狀態遭到破壞，發生地應力重新分布，從而引起基坑周邊土體發生位移[3]，由此可能引起運營鐵路路基發生變形，從而影響軌道的平順性[4]。路基作為軌道的基礎，易受周邊環境影響，是線路結構中薄弱且不穩定的環節[5]。因此，規范中對高速鐵路路基變形控制要求十分嚴格[6]，鄰近高速鐵路工程應采取有效的變形控制方案，以確保鄰近工程不影響高速鐵路的安全運營[7]。一般情況下，經驗方法只能進定性的分析，而數值分析法可以更好地模擬基坑開挖實際工況，并考慮復雜的影響因素[8]。以某鄰近高速鐵路的大型房建基坑為例，通過數值模擬法，結合既有高速鐵路軌道現狀，分析基坑施工對既有高鐵路基的影響，以確定安全、合理的基坑支護方案。

2 工程概況

本工程包含2個基坑，平面位置關系見圖1。對應里程范圍為K2+913～K3+630，既有線主要以路基形式通過。

圖1 房間基坑與既有高鐵平面位置關系(單位：m)

2.1 基坑工程

1號基坑南北長91.35 m，東西寬450.89 m，基坑深13.72～15.07 m。擬建結構地下4層，地上最高35.0 m，基坑距鐵路坡腳線最近為23.94 m，距鐵路柵欄最近為15.3 m。1號基坑擬采用“護坡樁+預應力錨桿”支護，護坡樁φ1 m，樁間距1.6 m，樁長22 m；樁間設3～4排預應力錨索，成孔孔徑150 mm，錨索末端距路基坡腳最近投影距離為8.48 m。支護結構典型剖面見圖2。采用“止水帷幕+疏干井”的方式對地下水進行處理，止水帷幕采用三重管高壓旋噴樁的形式，φ700 mm，搭接長度不小于250 mm。

圖2 1號基坑支護結構典型剖面(單位：mm)

2號基坑南北長103.11 m，東西寬121.80 m，基坑深3.72 m，采用土釘墻支護。支護結構典型剖面見圖3。

圖3 2號基坑支護結構典型剖面(單位：mm)

2.2 既有高鐵概況

既有高鐵上下行線均為無砟軌道。路基基床由表層和底層組成，表層為0.4 m厚的級配碎石，底層為2.3 m厚的A、B組土，總厚度為2.7 m。路基基底采用CFG樁加固，樁徑0.4 m，橫向、縱向間距均為1.5 m，典型橫斷面見圖4。

圖4 既有高鐵路基典型橫斷面(單位：m)

2.3 地質條件

擬建場地屬于平原地貌，地形起伏不大。地質調繪、工程地質鉆探揭示，工程區范圍內的土層可劃分為人工填土層、第四系全新世沖洪積層、第四系晚更新世沖洪積層三大類。各土層物理力學指標參數見表1。

表1 土層地質參數

3 計算與分析

3.1 數值模型

采用Flac 3D建立整體數值模型[9]，考慮基坑周邊尺寸效應[10]，計算模型為基坑四周及底部向外各延伸3倍[11]，模型尺寸為671 m×245 m×60 m，共劃分為795 463個單元，516 986個節點。模型邊界條件為：模型四周為法向約束，模型底部為3個方向固定，地面及其以上采用自由邊界。基坑土體本構模型采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)模型，鉆孔灌注樁采用樁單元模擬，錨索采用錨索單元模擬[12]。模型中，認為基坑設計中的止水措施能正常發揮作用，基坑開挖不引起降水，故不考慮滲流的影響。包含房建結構的模型見圖5。

圖5 三維模型示意

模型中，地層分層及參數見表1，既有高速鐵路地基處理采用面積置換法確定復合加固區的彈性模量，既有線基床、基坑支護樁參數見表2。錨索預應力鎖定值取320～360 kN。

表2 模型主要材料參數

3.2 計算步劃分

根據一般數值分析中計算步的劃分方法，結合施工方案，將整個流程劃分為8個計算步。

第一計算步，首先將既有高鐵路基基床、地基處理及各土層作為初始狀態，計算土層的初始應力狀態，使其達到平衡狀態[13]。第二計算步，建立鄰近既有線新建工程模型，施作鉆孔灌注樁支護結構。第三步，開挖2.7 m，施作第一道錨索。第四、五、六計算步，分別開挖3 m，施作第二、第三、第四道錨索，同時分別對比開挖至相同深度時有無錨索兩種工況對鐵路路基變形的影響，以驗證錨索在本工程樁錨支護措施中的作用。第七計算步，開挖至基底。第八計算步，建立建筑模型，回填基坑，施加各階段荷載。

3.3 計算結果與分析

經過計算，提取基坑開挖階段各施工工序引起鐵路路基最大變形，見表3。

表3 基坑開挖主要施工步引起路基變形值 mm

通過對比，隨著基坑開挖深度的增大，錨索控制鄰近既有鐵路變形作用更為明顯。基坑開挖階段，開挖到基底時，基坑及鐵路路基發生的變形最大，見圖6(a)。1號基坑深度大，變形較為明顯，2號基坑深度較小，開挖引起的豎向變形也較小。基坑基底均產生明顯的卸荷回彈效應，1號基坑最大回彈隆起值達77 mm。開挖前，土體受力狀態為三軸應力狀態；基坑開挖后，由于豎直及水平卸載效應，土體水平向及豎向應力降低，土體原有的應力平衡被打破，在水平卸載作用下發生了相應的水平變形，見圖6，最大水平位移為33 mm。

圖6 基坑開挖后變形云圖

施作“鉆孔灌注樁+錨索支護”并完成基坑開挖后，引起的鐵路路基最大沉降值為1.2 mm，最大水平位移值為3.2 mm，位移云圖見圖7。施加建筑荷載后，鐵路路基最大沉降值為1.4 mm，最大水平位移值為3.4 mm。新建工程引起的水平變形大于豎向變形值。上行線距離基坑較近，上行線受基坑開挖及建筑荷載影響較下行線大，最大沉降及水平位移均發生上行線K3+200附近。

圖7 基坑開挖引起既有高鐵路基變形云圖

TB1001—2016《鐵路路基設計規范》，一般地段路基工后沉降量應≤15 mm[14]，由于工程所在地區存在區域沉降，既有高鐵的絕對高程及坐標與設計值已有偏差，部分段落的絕對變形已經超出規范沉降控制值，無法通過工后沉降判定既有高鐵的變形是否超限。鐵運[2012]83號《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》中[15]，建議將線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值作為不均勻變形參考值，見表4。

表4 250(不含)～350 km/h線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值

工程位置距離既有線車站較近(約為3 km)，該區段實際速度為160 km/h，故選擇經常保養的控制標準進行控制，10 m及以下弦測量的軌道高低及水平偏差的最大矢度值為4 mm。為確保軌道平順性，沿上下行線中心布置1條測線，5 m間距提取沉降值、水平位移值，并與近期工務部門對軌道高程及中心位置的檢查數據進行疊加，疊加后的高低偏差及軌向偏差應滿足要求。軌道現狀、本工程基坑開挖完成并施加建筑荷載引起既有高鐵產生的變形及疊加后產生的變形情況見圖8。

圖8 本工程引起既有高鐵變形情況示意

基坑與房建結構走向與既有高鐵線路方向大體相同，由圖8可以看出，在影響范圍內，既有高鐵的變形較平緩。根據計算結果整理統計可知，新建工程10 m弦長對軌道的平順性影響較小，新建工程變形引起的10 m弦長高低值最大為0.35 mm，引起的10 m弦長軌向值為0.45 mm，滿足線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值的要求。

4 結論

該基坑工程距離運營高鐵距離近且規模較大，運營高鐵為無砟軌道，位移控制要求較高，通過三維數值模型計算結果的分析，并綜合考慮軌道實測現狀，得出以下結論。

(1)隨著基坑開挖深度的增大，錨索對于控制鄰近既有鐵路變形作用較為明顯，可根據基坑開挖深度合理布置錨索位置。

(2)“鉆孔灌注樁+多排錨索”的支護方案對于基坑及鄰近既有路基的變形控制效果較好，引起的10 m弦長高低值最大為0.35 mm，引起的10 m弦長軌向值為0.45 mm，滿足軌道平順性的控制要求。

(3)在進行鄰近工程對既有高鐵影響的計算與分析中，尚應考慮既有高鐵軌道現狀，無砟軌道扣件對軌道平順性的調節能力有限，已存在的變形往往不可忽略。